Detectando o magnetismo do núcleo de um átomo único

Nossa equipe na IBM Research - Almaden, no Vale do Silício, detectou o magnetismo do núcleo de um único átomo, um feito que abre a porta para o uso do núcleo como uma forma de sentir e controlar o magnetismo em escala atômica. Esta descoberta, recentemente publicada na revista Science , foi alcançado medindo o efeito magnético do núcleo sobre os elétrons no mesmo átomo. O estudo revela informações sobre o isótopo - o número de nêutrons no núcleo de um átomo - e como a magnetização do átomo depende de seus átomos vizinhos, fornecendo uma nova ferramenta poderosa para detecção em nanoescala e apresentando um grande passo em direção ao uso do núcleo para futura spintrônica. .

Figura 1 :Esboço do experimento. Cada bola vermelha representa um átomo magnético ligado a uma superfície. Alguns têm naturalmente um spin nuclear, um pequeno ímã, em seu núcleo. A ponta afiada de um STM sonda um único átomo magnético. Imagem cortesia de QNS.

Trabalhando com uma equipe internacional de colaboradores, incluindo o Center for Quantum Nanoscience (QNS), a University of Oxford e o International Iberian Nanotechnology Laboratory, medimos átomos de ferro e titânio que foram fixados em uma superfície cuidadosamente preparada. Usamos um microscópio de tunelamento de varredura (STM), a invenção ganhadora do prêmio Nobel da IBM que usa a ponta de uma agulha de metal afiada para escanear uma superfície para gerar imagens e mover átomos individuais com grande precisão.

Três anos atrás, nosso grupo mostrou que podíamos detectar o magnetismo dos elétrons de um único átomo e usar sua sensibilidade a campos magnéticos como uma forma de detectar e medir as propriedades de átomos magnéticos próximos na superfície. Agora, estendemos isso para detectar o magnetismo muito menor do núcleo.

Figura 2 :Imagem do microscópio de tunelamento de varredura da superfície de óxido de magnésio, onde as pequenas saliências são átomos de ferro individuais. Imagem cortesia de QNS.

A interação entre o núcleo de um átomo e seus elétrons, chamada de interação hiperfina, torna possível detectar o magnetismo do núcleo. A interação hiperfina dentro de cada átomo mudou quando movemos o átomo para uma posição diferente ou se movemos outro átomo para perto dele. Usamos o STM para reposicionar átomos individuais e mostrar que a interação hiperfina depende fortemente da ligação química com outros átomos. Por exemplo, um átomo de titânio ligado a quatro átomos próximos produziu uma interação hiperfina muito mais forte do que o mesmo átomo de titânio empoleirado no topo de um único átomo de oxigênio. Além disso, descobrimos que a força da interação hiperfina depende da presença de átomos magnéticos vizinhos, portanto, isso revela como o magnetismo dos dois átomos se combinam de acordo com as regras da mecânica quântica.

Figura 3 :Dois átomos de ferro, vistos como colinas azuis nas imagens inferiores, com diferentes isótopos. O átomo certo é o isótopo ferro-57, que tem um spin nuclear. Como resultado, dois picos são observados em seu espectro de energia, correspondendo às duas orientações possíveis para o spin do núcleo. Imagem cortesia de QNS.

O núcleo de um átomo é feito de prótons e nêutrons, e o número de prótons determina qual elemento é o átomo. O magnetismo do núcleo vem de uma propriedade chamada “spin” porque ele se comporta muito como uma bola giratória de carga elétrica. Apenas alguns isótopos têm núcleo com spin, e esse spin forma um pequeno campo magnético, assim como a Terra tem um campo magnético devido à carga elétrica que circula nas profundezas de seu núcleo. O campo magnético do spin nuclear é tão minúsculo que é difícil de detectar, exceto quando muitos milhões são medidos ao mesmo tempo. Esta é a base da máquina de imagem de ressonância magnética médica, que mede muitos trilhões de giros nucleares para cada ponto nas imagens resultantes.

Figura 4 :Espectros de energia medidos em átomos de titânio individuais. Dois isótopos têm um spin nuclear alto e, portanto, exibem vários picos, um pico para cada orientação do núcleo. Imagem cortesia de QNS.

Para detectar o giro de um único núcleo, fazemos uso dos elétrons ao redor do núcleo - juntos o núcleo e os elétrons formam um átomo. Esses elétrons também têm spin. Para os elétrons, o spin resulta em um campo magnético que é cerca de mil vezes maior do que para o núcleo. Isso torna a detecção de elétrons muito mais fácil, mas ainda assim extremamente difícil de detectar para um único átomo de cada vez.

Usamos uma forma avançada de microscopia de tunelamento de varredura que opera em condições ultracongeladas, limpas e sem vibração para garantir que os átomos permaneçam no lugar e as medições sensíveis não sejam perturbadas por calor, detritos ou ruído.

Nossa equipe detecta o spin de um único átomo usando uma técnica ultrassensível chamada ressonância de spin, na qual usamos a ponta do STM para encontrar e selecionar um único átomo para examinar. Em seguida, usamos a ressonância de spin do elétron (ESR), que detecta a velocidade de rotação do pólo norte do elétron. Essa rotação é chamada de precessão, e o pólo norte se move como o eixo de um pião colocado sobre uma mesa, que gira lentamente para apontar em direções diferentes. Para um elétron, a precessão acontece bilhões de vezes por segundo, e a frequência da precessão é chamada de frequência ressonante. Essa frequência muda em resposta a mudanças sutis no campo magnético experimentado pelo átomo. Realizar ESR usando um microscópio de tunelamento de varredura nos permite medir o spin ao ver a posição do átomo e aqueles aos quais ele está ligado, junto com os átomos mais distantes que sutilmente o influenciam, revelando informações valiosas sobre a interação magnética no átomo único escala, que é essencial para projetar dispositivos eletrônicos avançados feitos de vários átomos.

Figura 5 :Um único átomo de titânio é movido para três posições diferentes na superfície. Isso muda o espectro, porque a interação com o spin nuclear é sensível à química do sítio de ligação. Imagem cortesia de QNS.

Usando a ressonância de spin, um único átomo serve como uma sonda sensível do campo magnético, bem na posição do átomo. Nossa equipe já usou isso para detectar o campo magnético de átomos próximos colocados na superfície. Nesses estudos, usamos átomos de ferro e titânio, cada um com propriedades exclusivas. Descobrimos até que átomos individuais do elemento hólmio agem como minúsculos ímãs permanentes para que possam armazenar informações. Todos esses avanços levaram ao nosso último avanço, no qual detectamos o magnetismo do núcleo e as informações que ele revela.

Artigo:Interação hiperfina de átomos individuais em uma superfície